我国现阶段火力发电厂高温过热器、高温再热器集箱主要采用P91材质，其作为电厂最重要的部件，制造质量直接影响电厂安全生产与经济效益。本文通过典型案例介绍P91集箱焊缝裂纹的无损检测，分析裂纹形成原因，在此基础上提出了处理建议。
近年来，随着机组运行参数的不断提高和新型耐热钢材料的大量使用，新建火力发电机组设备制造质量不断出现新的问题。受热面集箱作为锅炉主要承温承压部件，受力及热应力较复杂，材质、规格使用广，如果存在的危害性缺陷不能在新建机组安全性检验阶段有效检出和消除，将会导致设备带缺陷运行，为日后的机组长期安全稳定运行带来极大的设备隐患和风险。
本文介绍了海南省某电厂一期2x350 MW新建机组受热面集箱检验的过程中对高温集箱主焊缝表面裂纹的发现和处理过程。经过对裂纹产生原因的分析，给出了处理方案，最终问题得以顺利解决。
某新建电厂为超临界参数变压运行直流炉，过热蒸汽最大连续蒸发量（B-MCR）1135 h，额定蒸汽压力（过热器出口）25.4 MP，额定蒸汽温度（过热器出口）571 ℃。末级过热器出口集箱设计压力为27.6 MPa，设计温度600 ℃，筒身材质SA335P91，规格245 mmx60 mm，集箱长度1020 mm；平端盖材质SA-336F91，规格DH245 mm，L=80 mm，焊缝宽度为60 mm，余高经打磨与筒身持平。此集箱在磁粉检测过程中，发现一侧环形焊缝存在两条长度分别为110 mm（见图1）和120 mm的裂纹性质缺陷。后经化学剖光处理发现裂纹均位于环焊缝内，没有扩展到集箱母材。
图1 集箱环缝裂纹
因该焊缝材质为SA-335P91，根据文献[1]表明，对T/P91钢小径管对接焊缝中已知缺陷进行检测时，缺陷的深度位置和水平定位会存在较大误差。经研究发现：T/P91钢横波声速理论计算值为3310.64 m/s，而普通低碳钢、低合金钢的横波声速为3230 m/s，同一探头发出超声波分别入射到T91耐热钢和普通低合金钢时，由于材料声速不同会造成两种被检工件中横波的折射角不同。
因此，在普通试块上调整好各项参数再直接对T/P91耐热钢焊缝进行探伤时，会导致反射体的深度及水平位置定位出现错误。为了避免因试块和被检工件声速差别太大导致的缺陷定位错误，依据JB/T 4730.3-2005的3.5.1.2条：标准试块应采用与被检工件声学性能相同或近似的材料制成。本次采用了材质为P91合金钢的CSK-IA，CSK-ⅢA来调整校对仪器测试系统，在改进缺陷定位准确度方面取得了良好的效果。对裂纹部位采用超声波检测，选用2.5P8x12K2探头，发现深度13 mm位置有缺陷反射回波，具体参数如表1所示。对缺陷现场解剖印证了超声波检测结果的准确性。经硬度检验发现，焊缝硬度值在255~265 HB范围内，母材硬度值在200~210 HB范围内。对焊缝和母材分别进行光谱分析发现，母材主要金属元素含量与SA-335P91材质吻合，不存在错用焊材的现象。对裂纹位置进行金相分析，通过观察裂纹位置及形貌发现，裂纹特征为穿晶与延晶开裂现象同时存在，如图2所示，同时可以发现主裂纹附近伴随着很多细小的微观裂纹。
(1) 根据磁粉检验及超声波检验结果可以判断，产生的裂纹主要为近表面裂纹，裂纹没有完全延伸至集箱；最终裂纹打磨至14 mm位置消除，打磨过程裂纹逐渐变细变短，可初步判断裂纹是由焊缝外表面向内部扩展。
(2) 光谱分析结果显示，焊缝及集箱母材合金元素成分符合标准中对P91的要求，由此判断不存在错用材料及焊材情况。(3) 通过硬度分析发现，焊缝硬度值已经接近标准规定的180~270 HB的上限，可以看出焊缝在热处理过程存在热处理不充分现象。P91材质钢材具有较高的高温蠕变断裂强度，低的热膨胀性，良好的导热性，较好的加工性和抗氧化性能。但P91属于空冷马氏体钢，其合金元素很高，总含量大于13%，这说明此种钢的淬硬倾向大，冷裂纹敏感性强。而冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时（对于钢来说在MS温度，即奥氏体开始转变为马氏体的温度以下）产生的焊接裂纹。
如果在焊接过程中工艺控制不严格，出现预热时间短、预热范围小、层间温度高以及后热不充分的情况，焊接接头就会产生淬硬组织，性能脆化；同时，由于P91材质接头扩散氢含量较高，上述情况就会使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力，将会产生氢致延迟裂纹。氢致延迟裂纹的形成机理为氢的析集、淬硬组织、内应力的存在，它不在焊后立即产生，而在焊后延迟几小时、几天或更长时间才出现。因此即使制造厂商按照合格的检测灵敏度对该焊缝进行检测，如果检测时机不正确，也可能造成该缺陷的漏检。(1) 由于冷裂纹由焊接和热处理综合原因造成，对产品的危害性极大，在机组高温高压运行期间，裂纹会不断扩展延伸，直至焊缝断裂。
(2) P91焊接工艺经过长期使用，现阶段已本成熟，在国内外都得到了广泛的应用，但如果右工艺执行过程中没有严格要求，各项参数没有到标准范围，也会产生裂纹缺陷。
(3) 对于P91材质的重要部件，在制造完成后应加强无损检测；对于有氢致延迟裂纹倾向的材质（如SA-335P91)，应科学选择检测时机，力求将隐患消除在设备制造阶段，防止将制造缺陷带到机组生产过程中，造成生产事故。
参考文献：牛晓光，焦荣格，李海生，等. T91钢小径管焊缝超声波探伤缺陷的定位[J]. 华北电力技术, 2006, 7(1):8
